10月24日，《自然》雜志發(fā)表了芝加哥大學(xué)趙英明教授小組的一篇表觀遺傳蛋白修飾文章，首次揭示了組蛋白賴氨酸乳酸?；?Kla)這個調(diào)控機制，并證明其在基因表達，微環(huán)境中改變巨噬細胞中的作用。作者首先用一系列化學(xué)和生化的方法，確認此修飾在組蛋白中的存在。13C標記實驗表明乳酸?；鶃碜匀樗?，而乳酸來自葡萄糖降解。一系列的實驗證明細胞內(nèi)源性乳酸的濃度，可以調(diào)控該組蛋白修飾的水平。作者以巨噬細胞作為模型初步探索了組蛋白Kla對細胞功能的影響，發(fā)現(xiàn)巨噬細胞激活后代謝發(fā)生變化、乳酸濃度的提高，進而導(dǎo)致組蛋白Kla水平和基因表達的變化。體外生物化學(xué)實驗顯示Kla供體是乳酸酰輔酶，P300純化酶可以催化組蛋白Kla反應(yīng)。有意思的是，在動物腫瘤模型實驗中，作者發(fā)現(xiàn)組蛋白Kla的水平與腫瘤組織內(nèi)的巨噬細胞乳酸濃度和缺氧相關(guān)，并且因此調(diào)節(jié)從inflammatory M1 表型轉(zhuǎn)變成anti inflammatory M2 表型。并且這個調(diào)節(jié)作用依賴于乳酸產(chǎn)生酶，LDHS. 這些結(jié)果表明這表觀遺傳學(xué)通道在調(diào)節(jié)免疫細胞功能方面有重要作用。
【藥源解析】：組蛋白不同位點的化學(xué)修飾是表觀遺傳調(diào)控的重要機制，甲基化、乙酰化、磷酸化是大家熟知的組蛋白修飾機制。但此前組蛋白的乳酸?；粗?，雖然乳酸是個高濃度代謝產(chǎn)物。因為細胞代謝產(chǎn)物會導(dǎo)致組蛋白賴氨酸乙?；↘ac），所以作者推測細胞內(nèi)濃度很高的乳酸也可能導(dǎo)致組蛋白賴氨酸乳酸?；?、并利用質(zhì)譜技術(shù)找到幾個組蛋白降解后的多肽似乎確實有Kla（分子量增加72）。為了證實這個發(fā)現(xiàn)，作者化學(xué)合成了乳酸?；M蛋白多肽對照，結(jié)果HPLC保留時間、MS/MS圖譜與降解產(chǎn)物一致。識別Kla抗體也證明在細胞中組蛋白賴氨酸確實可以被乳酸?；?。作者在人、小鼠細胞中共發(fā)現(xiàn)28個Kla位點。
通過控制乳酸生物合成的酶活性和同位素標記作者發(fā)現(xiàn)組蛋白Kla水平與乳酸濃度正相關(guān)，這似乎是細胞監(jiān)測和應(yīng)對糖酵解產(chǎn)生乳酸變化的一個機制。早就知道缺氧改變細胞代謝模式、誘導(dǎo)糖酵解，作者發(fā)現(xiàn)缺氧也增加Kla水平、但對Kac無影響。促炎巨噬細胞M1比抗炎M2亞型更依賴有氧糖酵解，作者發(fā)現(xiàn)用LPS激活M1巨噬細胞后糖酵解和乳酸濃度增加、組蛋白Kla水平隨之增加，而且Kla多發(fā)生在Kac較低區(qū)域。RNA測序發(fā)現(xiàn)M1激活后促炎基因表達迅速增加但很快開始恢復(fù)正常，而維持組織動態(tài)平衡及M2 基因，如傷口愈合的基因（共1223個基因）表達卻穩(wěn)步增加、并與組蛋白Kla水平高度相關(guān)。M0巨噬細胞用滅活革蘭氏陰性菌激活結(jié)果類似。作者把這個機制叫做乳酸計時器，巨噬細胞接到命令啟動急性免疫應(yīng)答的同時已經(jīng)開始利用Kla通路為收拾殘局做準備。通過改變?nèi)樗峁┙o作者證明乳酸濃度改變在先、Kla變化是結(jié)果，但這還不能證明Kla變化是基因表達改變的誘因，有數(shù)據(jù)表明剛剛獲得諾貝爾獎的HIFa也可能介導(dǎo)這個變化。作者在非細胞環(huán)境下通過酶反應(yīng)乳酸酰化組蛋白，發(fā)現(xiàn)確實可以誘導(dǎo)類似基因轉(zhuǎn)錄。
表觀遺傳蛋白參與調(diào)控基因表達，所以直接影響細胞功能。Kla是個全新調(diào)控機制，這個工作只考察了巨噬細胞、在其它細胞的作用還有待進一步研究。乳酸因為濃度很高所以是細胞狀態(tài)的一個明顯標記物，因此也可能是多種生物過程把脈細胞環(huán)境的指標。一個大家熟知的現(xiàn)象是腫瘤中的Warburg效應(yīng)，即腫瘤組織即使在氧氣充足時也使用效率更低的糖酵解作為能量來源。一個理論認為腫瘤擴張時能量供給不如物料供給更關(guān)鍵，而糖酵解可以更高效搜刮生物合成的原材料。因此腫瘤組織乳酸含量大大高于正常組織，可以想象腫瘤細胞可能會利用這個本幫特異信號設(shè)計下游的運作程序。生成、去除、閱讀Kla標記的蛋白因此可能成為新的抗癌靶點，似乎與Kla井水不犯河水的Kac標記已經(jīng)有多個藥物上市。
這個工作也顯示了質(zhì)譜技術(shù)在蛋白組研究中的威力。這個技術(shù)的通量和靈敏度驚人，甚至可以在單細胞水平大規(guī)模測量細胞表面的蛋白分布。趙教授是質(zhì)譜技術(shù)分析蛋白組的世界頂級專家，在蛋白修飾領(lǐng)域成就無出其右。腫瘤是異質(zhì)性具大的疾病。盡管如此，不同癌癥最常見的共同特點是the Warburg effect和產(chǎn)生高濃度的乳酸。雖然充分解折這個癌癥現(xiàn)象有利于制藥界利用這個癌癥代謝型式尋找新的抗癌途徑。表觀遺傳是制藥界高度關(guān)注的調(diào)控機制，今天這個工作為尋找優(yōu)質(zhì)藥靶提供了一個新方向。
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